特許 7214008 厚い導電層を備える電気パワーアセンブリ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-01-19

(45)【発行日】2023-01-27

(54)【発明の名称】厚い導電層を備える電気パワーアセンブリ

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20230120BHJP

   H01L 25/18 20230101ALI20230120BHJP

   H01L 23/12 20060101ALI20230120BHJP

   H05K 3/46 20060101ALI20230120BHJP

【ＦＩ】

H01L25/04 C

H01L23/12 501Z

H05K3/46 Q

H05K3/46 N

H05K3/46 B

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2021558153

(86)(22)【出願日】2020-01-20

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-02-22

(86)【国際出願番号】 JP2020002641

(87)【国際公開番号】W WO2020195089

(87)【国際公開日】2020-10-01

【審査請求日】2021-06-17

(31)【優先権主張番号】19164827.8

(32)【優先日】2019-03-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】503163527

【氏名又は名称】ミツビシ・エレクトリック・アールアンドディー・センター・ヨーロッパ・ビーヴィ

【氏名又は名称原語表記】ＭＩＴＳＵＢＩＳＨＩ ＥＬＥＣＴＲＩＣ Ｒ＆Ｄ ＣＥＮＴＲＥ ＥＵＲＯＰＥ Ｂ．Ｖ．

【住所又は居所原語表記】Ｃａｐｒｏｎｉｌａａｎ ４６， １１１９ ＮＳ Ｓｃｈｉｐｈｏｌ Ｒｉｊｋ， Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100122437

【弁理士】

【氏名又は名称】大宅 一宏

(74)【代理人】

【識別番号】100147566

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100161171

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 潤一郎

(72)【発明者】

【氏名】ムラド、ロバート

(72)【発明者】

【氏名】モロヴ、ステファン

【審査官】井上 和俊

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－２４９４１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０２８７００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０５８４１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／０１６５５５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－０７０２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】欧州特許出願公開第０３１４８３００（ＥＰ，Ａ１）

【文献】欧州特許出願公開第０３２５２８１２（ＥＰ，Ａ２）

【文献】特開２００２－２４６７６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０１Ｌ ２３／１２

Ｈ０５Ｋ ３／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つの多層ベース構造体であって、該少なくとも１つの多層ベース構造体に少なくとも１つのパワーデバイスが埋め込まれ、該多層ベース構造体の各側に内部導電層が位置決めされ、各内部導電層は、該多層ベース構造体内に配置された接続部を通して前記パワーデバイスのそれぞれの電気接点に接続された少なくとも１つのコンタクトパッドを備える、少なくとも１つの多層ベース構造体と、
前記多層ベース構造体の各側に位置決めされた少なくとも１つの外部導電層であって、各外部導電層は、少なくとも１つのスルーホールを備え、前記少なくとも１つの外部導電層は前記内部導電層よりも厚い、少なくとも１つの外部導電層と、
前記多層ベース構造体の少なくとも一方の側に位置決めされた少なくとも１つの内部電気絶縁層であって、前記多層ベース構造体の前記内部導電層とそれぞれの外部導電層との間に位置決めされている、少なくとも１つの内部電気絶縁層と、
少なくとも１つの穴であって、該穴が前記内部導電層のコンタクトパッドによって形成された底部を有するように、前記内部導電層のコンタクトパッドから前記外部導電層の外面まで延在し、各穴の一部分が前記外部導電層のスルーホールによって形成されている、少なくとも１つの穴と、
を備え、
前記少なくとも１つの穴は、前記内部導電層の前記コンタクトパッドを前記それぞれの外部導電層に接続する外部導電ビアを形成するために、前記穴の前記底部から前記外部導電層の前記外面まで導電性材料で充填されている、電気パワーアセンブリ。

【請求項2】

前記少なくとも１つの多層ベース構造体は、
電気絶縁コアと、
前記電気絶縁コアに埋め込まれた少なくとも１つのパワーデバイスであって、各パワーデバイスは、反対の電気接点を有する、少なくとも１つのパワーデバイスと、
前記電気絶縁コアの両面の２つの内部導電層と、
を備え、
各内部導電層は、前記電気絶縁コア内に且つ前記内部導電層内に配置された接続部を通して前記パワーデバイスのそれぞれの電気接点に接続された少なくとも１つのコンタクトパッドを備える、請求項１に記載の電気パワーアセンブリ。

【請求項3】

前記外部導電層の厚さは、１００μｍ～４ｍｍの範囲である、請求項１又は２に記載の電気パワーアセンブリ。

【請求項4】

前記少なくとも１つの穴は、０．４～１．６の範囲の穴の深さ対前記外部導電層の前記穴の直径の比を有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の電気パワーアセンブリ。

【請求項5】

内部導電層とパワーデバイスの電気接点との前記接続部は導電ビアである、請求項１～４のいずれか一項に記載の電気パワーアセンブリ。

【請求項6】

前記少なくとも１つの穴の直径は、１００μｍ～１５００μｍの範囲である、請求項１～５のいずれか一項に記載の電気パワーアセンブリ。

【請求項7】

前記少なくとも１つのパワーデバイスは、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ又はＩＧＢＴ等のトランジスタである、請求項１～６のいずれか一項に記載の電気パワーアセンブリ。

【請求項8】

請求項１～７のいずれか一項に記載の電気パワーアセンブリを製造する方法であって、
（ａ）多層ベース構造体を形成することであって、該多層ベース構造体に少なくとも１つのパワーデバイスが埋め込まれ、該少なくとも１つの多層ベース構造体の各側に内部導電層が位置決めされ、各内部導電層は、該多層ベース構造体内に配置された接続部を通して前記パワーデバイスのそれぞれの電気接点に接続された少なくとも１つのコンタクトパッドを備えることと、
（ｂ）２つの外部導電層を準備することであって、該外部導電層は少なくとも１つの予め穴あけされたスルーホールを有することと、
（ｃ）前記多層ベース構造体の各側に外部導電層を位置決めするとともに、前記多層ベース構造体の前記内部導電層と前記多層ベース構造体の少なくとも一方の側の前記外部導電層との間に少なくとも１つの内部電気絶縁層を位置決めすることと、
（ｄ）前記多層ベース構造体と、前記内部電気絶縁層と、前記外部導電層とを積層させることと、
（ｅ）前記内部電気絶縁層の一部分と前記少なくとも１つの予め穴あけされたスルーホールを充填する材料の一部分とを含むスタックを除去することにより、少なくとも１つの穴を、該少なくとも１つの穴が前記内部導電層のコンタクトパッドによって形成された底部を有するように形成することと、
（ｆ）前記多層ベース構造体の前記内部導電層の前記コンタクトパッドを前記外部導電層に接続する前記外部導電ビアを形成するために、前記少なくとも１つの穴を導電性材料で充填することと、
（ｇ）導電パターンを形成するために前記外部導電層の表面層をパターニングすることと、
を含む、電気パワーアセンブリを製造する方法。

【請求項9】

前記多層ベース構造体を形成することは、
電気絶縁コアに少なくとも１つのキャビティを形成することと、
各キャビティ内に少なくとも１つのパワーデバイスを挿入することと、
前記電気絶縁コアの両面に２つの内部導電層を位置決めすることと、
前記電気絶縁コア及び前記内部導電層を積層させることと、
前記電気絶縁コアに且つ前記内部導電層に穴を形成することと、
前記内部導電層の前記少なくとも１つのコンタクトパッドを前記パワーデバイスのそれぞれの電気接点に接続するために、前記穴をめっきすることと、
導電パターンを形成するために、前記内部導電層の表面層をパターニングすることと、
を含む、請求項８に記載の電気パワーアセンブリを製造する方法。

【請求項10】

ステップ（ｂ）～（ｇ）のシーケンスは、少なくとも１回繰り返される、請求項８又は９に記載の電気パワーアセンブリを製造する方法。

【請求項11】

ステップ（ｂ）～（ｇ）のシーケンスは、１ｍｍ～１００ｍｍを含む、前記多層ベース構造体の各側に前記外部導電層のための所望の総厚さを得るために必要な回数、繰り返される、請求項８～１０のいずれか一項に記載の電気パワーアセンブリを製造する方法。

【請求項12】

各外部導電層は、１００μｍ～４ｍｍの範囲の厚さを有する、請求項８～１１のいずれか一項に記載の電気パワーアセンブリを製造する方法。

【請求項13】

前記外部導電層の前記少なくとも１つの予め穴あけされたスルーホールは、前記多層ベース構造体の各側に前記外部導電層を位置決めする前にペースト絶縁材料で予め充填される、請求項８～１２のいずれか一項に記載の電気パワーアセンブリを製造する方法。

【請求項14】

前記ペースト絶縁材料は、エポキシ樹脂、シリコンからなる群から選択される、請求項１３に記載の電気パワーアセンブリを製造する方法。

【請求項15】

前記少なくとも１つの穴は、０．４～１．６の範囲のビアホール深さ対予め穴あけされた穴の直径の比を有する、請求項８～１４のいずれか一項に記載の電気パワーアセンブリを製造する方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、多層ベース構造体内に埋め込まれた少なくとも１つのパワーデバイスと、パワーデバイスのより適切な電流伝送及び熱伝達を提供する少なくとも１つの厚い外部導電層とを備える、電気パワーアセンブリに関する。本発明はまた、パワーアセンブリの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ダイオード又は様々なタイプのパワートランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＨＥＭＴ）等のパワーダイは、例えば自動車業界、航空業界、鉄道業界等の多くの異なる分野において、電力の制御及び変換に使用される、パワーモジュールの基本コンポーネントである。

【0003】

目下、例えばパワーモジュールにおいて、パワーダイを他のコンポーネントに接続する最も一般的な方法は、少なくとも一方の側が銅の層で覆われているセラミックプレートを備える、直接接合銅（ＤＢＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ）基板等の基板を使用することによる。パワーダイは、ＤＢＣ基板の一方の側にはんだ付け又は焼結され、ダイメタライゼーション部の上に超音波溶接されるワイヤボンド又はリボンによって、パワーダイの他方の側に接続される。

【0004】

スイッチング周波数及び電力密度が絶えず増大することにより、パワーモジュールの熱的強化、体積の低減及び信頼性の向上が必要となる。

【0005】

この観点で、基板上におけるパワーダイのワイヤボンディングによる従来の電力接続には、多くの限界及び欠点があり、とりわけ、ワイヤボンドに起因する寄生レベルが高く信頼性が低いことがある。

【0006】

プリント回路基板（ＰＣＢ）ラミネートに埋め込まれた少なくとも１つのパワーダイを備える、予めパッケージ化されたパワーセルを製造することからなる新たなパッケージング技術が現れている。パワーダイは、次いで、めっきされたビアを介して導電層に接続される。

【0007】

この新たなパッケージングソリューションにより、基板上のパワーダイのより容易な接続が可能になる。さらに、めっきされたビアによる接続により、信頼性が向上するとともに、相互接続の寄生要素が低減する。

【0008】

パワーデバイスパッケージングを製造する従来の方法は、以下のステップ：
－ 電気絶縁コア内にパワーダイのサイズのキャビティを形成するステップと、
－ キャビティ内にパワーデバイスを挿入するステップと、
－ 電気絶縁層のスタックを得るように、２つの更なる電気絶縁層の間にパワーデバイスを備える電気絶縁層を位置決めするステップと、
－ ２つの外部導電層の間に電気絶縁層のスタックを位置決めするステップと、
－ 電気絶縁層のスタックと外部導電層とを積層させるステップと、
－ レーザーにより複数のビアホールを穴あけするステップと、
－ 外部導電層のコンタクトパッドをパワーダイのそれぞれの電気接点に接続するために、ビアホールをめっきするステップと、
－ 電力伝送及び熱伝達を増大させるために、パワーエレクトロニック用途の必要性に従って必要な厚さにめっきすることにより、外部導電層の厚さを増大させるステップと、
－ 所望のレイアウトを形成するために外部導電層の表面をパターニングするステップと、
を含む。

【0009】

しかしながら、こうしたパワーデバイスパッケージング構造では、パワーデバイスのより高い熱性能及び電気性能を得るために、銅で充填されたビアとパッケージ構造体の上の厚い銅層とがあることが好ましい。したがって、２つの導電層に必要な厚さに達するために、ビアをめっきするステップが長くなる。こうした方法によりプロセスのコストがかかる。

【0010】

他のソリューションは、ビアを穴あけするステップを実施する前に、最初に厚い外部導電層を得ることである。しかしながら、厚い導電層で制限される穴あけレーザー能力に存在する別の問題がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

したがって、上記欠点をなくすために改良されたパッケージ構造を提供する必要がある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記を考慮して、本発明は、パワーアセンブリに、パワーデバイスの熱的能力及び電力能力を増大させるために厚い導電層を設けることを目的とする。本発明の別の目的は、従来技術におけるよりも製造が容易であるパワーアセンブリを提供することである。

【0013】

したがって、
少なくとも１つの多層ベース構造体であって、当該少なくとも１つの多層ベース構造体に少なくとも１つのパワーデバイスが埋め込まれ、当該多層ベース構造体の各側に内部導電層が位置決めされ、各内部導電層は、多層ベース構造体内に配置された接続部を通してパワーデバイスのそれぞれの電気接点に接続された少なくとも１つのコンタクトパッドを備える、少なくとも１つの多層ベースと、
ベース構造体の各側に位置決めされた少なくとも１つの外部導電層であって、各外部導電層は、少なくとも１つの予め穴あけされたスルーホールを備える、少なくとも１つの外部導電層と、
ベース構造体の少なくとも一方の側に位置決めされた少なくとも１つの内部電気絶縁層であって、ベース構造体の内部導電層とそれぞれの外部導電層との間に位置決めされている、少なくとも１つの内部電気絶縁層と、
少なくとも１つの穴であって、当該穴が内部導電層のコンタクトパッドによって形成された底部を有するように、内部導電層のコンタクトパッドから外部導電層の外面まで延在し、各穴の一部分が予め穴あけされたスルーホールによって形成されている、少なくとも１つの穴と、
を備え、
少なくとも１つの穴は、内部導電層のコンタクトパッドをそれぞれの外部導電層に接続する外部導電ビアを形成するために、穴の底部から外部導電層の外面まで導電性材料で充填されている、電気パワーアセンブリが開示される。

【0014】

本発明によるパワーアセンブリは、パワーデバイスを内部に埋め込んだ多層ベース構造体の両側に位置決めされる厚い外部導電層により、改良された電力伝送を可能にする。

【0015】

実施の形態では、上記少なくとも１つの多層ベース構造体は、
電気絶縁コアと、
電気絶縁コアに埋め込まれた少なくとも１つのパワーデバイスであって、各パワーデバイスは、反対の電気接点を有する、少なくとも１つのパワーデバイスと、
電気絶縁コアの両面の２つの内部導電層と、
を備え、
各内部導電層は、電気絶縁コア内に且つ内部導電層内に配置された接続部を通してパワーデバイスのそれぞれの電気接点に接続された少なくとも１つのコンタクトパッドを備える。

【0016】

好ましくは、外部層の厚さは、１００μｍ～４ｍｍ、好ましくは４００μｍ～１ｍｍの範囲である。

【0017】

少なくとも１つの穴は、０．４～１．６、好ましくは０．８～１．２の範囲の穴の深さ対予め穴あけされた穴の直径の比を有する。

【0018】

実施の形態では、内部導電層とパワーデバイスの電気接点との接続部は導電ビアである。

【0019】

好ましくは、少なくとも１つの穴の直径は、１００μｍ～１５００μｍの範囲である。

【0020】

実施の形態では、少なくとも１つのパワーデバイスは、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ又はＩＧＢＴ等のトランジスタである。

【0021】

また、上記の記載によるパワーアセンブリを製造する方法であって、
（ａ）多層ベース構造体を形成することであって、当該少なくとも１つの多層ベース構造体に少なくとも１つのパワーデバイスが埋め込まれ、当該少なくとも１つのベース構造体の各側に内部導電層が位置決めされ、各内部導電層は、当該多層ベース構造体内に配置された接続部を通してパワーデバイスのそれぞれの電気接点に接続された少なくとも１つのコンタクトパッドを備えることと、
（ｂ）２つの外部導電層を準備することであって、当該外部導電層は少なくとも１つの予め穴あけされたスルーホールを有することと、
（ｃ）ベース構造体の各側に外部導電層を位置決めするとともに、ベース構造体の内部導電層とベース構造体の少なくとも一方の側の外部導電層との間に少なくとも１つの内部電気絶縁層を位置決めすることと、
（ｄ）ベース構造体と、内部電気絶縁層と、外部導電層とを積層させることと、
（ｅ）内部電気絶縁層の一部分と少なくとも１つの予め穴あけされたスルーホールを充填する材料の一部分とを含むスタックを除去することにより、少なくとも１つの穴を、当該少なくとも１つの穴が内部導電層のコンタクトパッドによって形成された底部を有するように形成することと、
（ｆ）多層ベース構造体の内部導電層のコンタクトパッドを外部導電層に接続する外部導電ビアを形成するために、少なくとも１つの穴を導電性材料で充填することと、
（ｇ）導電パターンを形成するために外部導電層の表面層をパターニングすることと、
を含む、パワーアセンブリを製造する方法が開示される。

【0022】

実施の形態では、多層ベース構造体を形成するステップは、
電気絶縁コアに少なくとも１つのキャビティを形成することと、
各キャビティ内に少なくとも１つのパワーデバイスを挿入することと、
電気絶縁コアの両面に２つの内部導電層を位置決めすることと、
電気絶縁コア及び内部導電層を積層させることと、
電気絶縁コアに且つ内部導電層に穴を形成することと、
内部導電層の少なくとも１つのコンタクトパッドをパワーデバイスのそれぞれの電気接点に接続するために、穴をめっきすることと、
導電パターンを形成するために、内部導電層の表面層をパターニングすることと、
を含む。

【0023】

方法は、ステップ（ｂ）～（ｇ）のシーケンスが、少なくとも１回繰り返される更なるステップを含むことができる。

【0024】

実施の形態では、ステップ（ｂ）～（ｇ）のシーケンスは、１ｍｍ～１００ｍｍを含む、ベース構造体の各側に外部導電層のための総厚さを得るために必要な回数、繰り返される。

【0025】

好ましくは、各外部導電層は、１００μｍ～４ｍｍ、好ましくは４００μｍ～１ｍｍの範囲の厚さを有する。

【0026】

実施の形態では、外部導電層の少なくとも１つの予め穴あけされたスルーホールは、ベース構造体の各側に外部導電層を位置決めする前にペースト絶縁材料で予め充填される。

【0027】

ペースト絶縁材料は、エポキシ樹脂、シリコンからなる群から選択される。

【0028】

少なくとも１つの穴は、０．４～１．６、好ましくは０．８～１．２の範囲のビアホール深さ対予め穴あけされた穴の直径の比を有する。

【0029】

本発明によるパワーアセンブリは、多層ベース構造体の各側に位置決めされた厚い外部導電層により、優れた放熱と高い電力伝送とを可能にする。

【0030】

さらに、積層の前に厚い導電層に形成された予め穴あけされた穴の使用により、機械的プロセス又は任意の適切なプロセスにより厚い導電層を穴あけし、レーザー穴あけの制限を克服することができる。

【0031】

本発明の他の特徴及び利点は、添付図面を参照しながら非限定的な例を用いて与えられる以下の詳細な説明から明らかとなる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1A】本発明の第１の実施形態による電気パワーアセンブリの概略断面図である。

【図1B】本発明の第１の実施形態による電気パワーアセンブリの概略断面図である。

【図1C】本発明の第１の実施形態による電気パワーアセンブリの概略断面図である。

【図1D】本発明の第１の実施形態による電気パワーアセンブリの概略断面図である。

【図1E】本発明の第１の実施形態による電気パワーアセンブリの概略断面図である。

【図1F】本発明の第１の実施形態による電気パワーアセンブリの概略断面図である。

【図1G】本発明の第１の実施形態による電気パワーアセンブリの概略断面図である。

【図2】本発明の第２の実施形態による電気パワーアセンブリの概略断面図である。

【図3A】本発明の第３の実施形態による電気パワーアセンブリの概略断面図である。

【図3B】本発明の第３の実施形態による電気パワーアセンブリの概略断面図である。

【図3C】本発明の第３の実施形態による電気パワーアセンブリの概略断面図である。

【図3D】本発明の第３の実施形態による電気パワーアセンブリの概略断面図である。

【図4】本発明の第４の実施形態による電気パワーアセンブリの概略断面図である。

【図5A】本発明の一実施形態による電気パワーアセンブリの製造方法の主なステップを概略的に表す図である。

【図5B】本発明の一実施形態による電気パワーアセンブリの製造方法の主なステップを概略的に表す図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

本開示において、「電気パワーアセンブリ」という用語は、パワーモジュールを形成するためにＰＣＢラミネートのような多層構造体に埋め込められた少なくとも１つのパワーデバイスを備えるパッケージ構造体を指す。本開示において、「絶縁層」又は「絶縁コア」という用語は、熱伝導性且つ電気絶縁材料から作製された層又はコアを指す。本開示において、「導電層」という用語は、導電性且つ熱伝導性材料から作製された層を指す。

【0034】

ここで、図１Ａ～図１Ｇを参照して、本発明の第１の実施形態による電気パワーアセンブリ１００について説明する。

【0035】

図１Ａ～図１Ｃを参照すると、パワーアセンブリ１００は、パワーデバイス２０が埋め込まれている絶縁コア３０を備える。パワーデバイスは、ダイオード、又はＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ若しくはＩＧＢＴ、ＨＥＭＴとすることができる。いくつかの実施形態では、パワーデバイスは、ワイドバンドギャップ半導体、すなわち、２ｅＶ～４ｅＶの範囲のバンドギャップを有する半導体から作製される。例えば、パワーデバイスは、炭化ケイ素ＳｉＣ又は窒化ガリウムＧａＮで作製することができる。

【0036】

パワーデバイスは、アルミニウム、金、銅、銀等の金属パッドである少なくとも２つの電気接点（図示せず）を有する。

【0037】

例えば、パワーデバイスは、ダイオードであり、２つの両側の電気接点を有する。別の例では、パワーデバイスは、トランジスタであり、トランジスタのタイプに従って、ゲート、ソース及びドレイン、又はゲート、エミッタ及びコレクターを含む３つの電気接点を有する。パワーデバイスは、３よりも多い電気接点を有することもできる。

【0038】

さらに、パワーアセンブリ１００は、図２に示すような少なくとも１つの追加のパワーデバイス、及び／又は第１のパワーデバイスに接続された、抵抗器、コンデンサ等、電子受動コンポーネントを備えることができる。

【0039】

非限定的な例では、絶縁コア３０は、より適切な放熱を提供するように、樹脂又は熱伝導率の高い他の任意の適切な絶縁材料から作製される。絶縁コアは、ＦＲ－４ガラスエポキシから、ポリイミドから、又はＨＴＣＣ（高温同時焼成セラミック）若しくはＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミック）等のセラミックから作製することができる。

【0040】

さらに、電気パワーアセンブリ１００は、上部内部導電層４０と底部内部導電層４０’とを更に備える。上部内部導電層４０は、絶縁コア３０の上面３１に配置されている。底部内部導電層４０’は、絶縁コア３０の底面３１’に配置されている。これらの導電層の材料は、金属、好ましくは銅である。

【0041】

さらに、絶縁コア３０内に且つ上部内部導電層４０及び底部内部導電層４０’内に、一組の上部導電ビア１２及び一組の底部ビア１２’が形成されている。上部内部導電層４０のコンタクトパッドは、一組の上部ビア１２によりパワーデバイス２０の上面の電気接点に接続されている。底部内部導電層４０’のコンタクトパッドは、一組の底部ビア１２’によりパワーデバイスの底面の電気接点に接続されている。したがって、パワーデバイス２０は、電気パッド、一組の上部ビア１２及び一組の底部ビア１２’を通して、上部内部導電層４０及び底部内部導電層４０’に接続されている。

【0042】

上部ビア１２及び底部ビア１２’を形成する方法は、当業者には既知である。中実アセンブリを得るために、絶縁コア３０と２つの内部導電層４０、４０’とを含むスタックを上に積層させた後、スタックの各側においてレーザー穴あけプロセスにより、一組の底部ビアホール１１と一組の底部ビアホール１１’とが形成され、パワーデバイス２０の電気接点の曝露を可能にする。次いで、ビアホール１１、１１’は、導電ビア１２、１２’を形成するために、電気めっきプロセス若しくは無電解めっき又は両方により、銅等の導電性材料で充填される。

【0043】

さらに、上部導電パターン及び底部導電パターンをそれぞれ得るために、上部導電層４０の表面と底部導電層４０’の表面とに、エッチングステップが適用される。したがって、上部導電パターン及び底部導電パターンは、上部内部導電層４０及び底部内部導電層４０’のコンタクトパッドとしての役割を果たす。

【0044】

非限定的な実施形態によれば、内部導電層４０、４０’は、約２０μｍ～５０μｍの厚さを有することができる。

【0045】

ビアの数は、電力伝送に従って選択される。これらの数は、レーザー又は機械的な穴あけ技法によっても決まる。例えば、パワーデバイスの電気接点を内部導電層に接続するビアの密度は、例えば０．８のビアホール深さ対ドリル径の比で、少なくとも４ビア／ｍｍ^２、例えば１５ビア／ｍｍ^２とすることができる。パワーデバイスがＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴである別の例では、１つのビアのみが、ゲートパッドを内部導電層に接続する。

【0046】

上述したようなパッケージ構造体は、絶縁コア３０と、絶縁コア３０の両側の面を覆う２つの薄い内部導電層４０、４０’とを備える多層ベース構造体１０の一例を形成し、絶縁コア３０は少なくとも１つのパワーデバイス２０を埋め込んでいる。

【0047】

図１Ｄ～図１Ｇを参照すると、パワーアセンブリ１００は、ベース構造体１０の各側に位置決めされた厚い上部外部導電層６０と厚い底部外部導電層６０’とを更に備える。厚い上部外部導電層及び底部外部導電層は、パッケージ構造体の電流能力及び熱能力を向上させるために、ベース構造体の内部導電層４０、４０’の厚さよりも大きい厚さを有する。非限定的な実施形態によれば、厚い外部導電層６０、６０’は、約１００μｍ～４ｍｍ、好ましくは約４００μｍ～１ｍｍの厚さを有することができる。したがって、厚い層は、１００μｍ以上の厚さを有する層である。これらの層の材料は、金属、好ましくは銅である。

【0048】

図１Ｄに示すように、各厚い外部導電層６０、６０’は、機械的プロセス又は放電加工等の他のプロセスによって形成される、複数の予め穴あけされたスルーホール６１、６１’を備える。これらの予め穴あけされたスルーホール６１、６１’は、後により詳細に説明するように、厚い外部導電層６０、６０’を内部導電層４０、４０’のコンタクトパッドに接続する導電性ビアホールとしての役割を果たす。

【0049】

予め穴あけされたスルーホールにより、その穴が、パワーアセンブリを形成するためにスタックに厚い層を位置決めする前に、例えばスタックの積層のステップの前に、厚い導電層に形成されることが理解される。したがって、穴あけ技法に対する制限はない。このように且つ有利には、穴は、深い穴を形成するために機械的穴あけプロセスによって形成される。典型的には、予め穴あけされたスルーホールは、１００μｍ～１５００μｍを含む穴径を有することができる。

【0050】

一実施形態では、これらの予め穴あけされたスルーホール６１、６１’は、導電ビアを形成する電気めっきプロセスのステップの前に、スクリーン印刷により、後に除去される絶縁材料で予め充填される。

【0051】

さらに、パワーアセンブリ１００は、上部内部絶縁層５０と底部内部絶縁層５０’とを更に備え、上部内部絶縁層５０は、厚い上部外部導電層６０とベース構造体１０の薄い上部内部導電層４０との間に配置され、底部内部絶縁層５０’は、厚い底部外部導電層６０’とベース構造体１０の底部内部導電層４０’との間に配置される。例えば、内部絶縁層５０、５０’は、樹脂、又は熱伝導率の高い任意の適切な絶縁材料から作製される。

【0052】

図１Ｅを参照すると、上部絶縁層５０及び底部絶縁層５０’と、厚い上部外部導電層６０及び底部外部導電層６０’と、ベース構造体１０とを含むスタックの積層のステップ中、絶縁層５０、５０’内に存在するエポキシ樹脂は、流れて、厚い外部導電層６０、６０’の予め穴あけされたスルーホール６１、６１’を充填する。

【0053】

次いで、内部導電層４０、４０’から内部絶縁層５０、５０’を通って厚い外部導電層６０、６０’の外面６５、６５’まで延在する穴６２、６２’を形成するために、予め穴あけされたスルーホール内の且つ予め穴あけされたスルーホールのすぐ下の絶縁材料が除去される。

【0054】

図１Ｆに示すように、電気パワーアセンブリ１００はまた、上部内部導電層４０から、上部絶縁層５０及び厚い上部外部導電層６０を通って延在する一組の上部穴６２と、底部内部導電層４０’から、底部絶縁層５０’及び厚い底部外部導電層６０’を通って延在する一組の底部穴６２’とを備える。

【0055】

各穴６２、６２’は、底部６６、６６’及び開放端部６７、６７’を有する。穴の底部は、内部導電層４０、４０’のコンタクトパッドの一部分によって形成され、したがって、内部導電層４０、４０’は露出している。開放端部６７、６７’は、厚い外部導電層６０、６０’の表面６５、６５’に形成される。

【0056】

各穴６２、６２’は、一部には、内部絶縁層５０、５０’に形成された穴によって形成され、一部には、厚い外部導電層６０、６０’に形成された予め穴あけされたスルーホール６１、６１’によって形成される。穴６２、６２’は、０．４～１．６、好ましくは０．８～１．２の範囲のビアホール深さ対予め穴あけされた直径の比を有する。

【0057】

図１Ｇを参照すると、次いで、上部穴６２及び底部穴６２’は、一組の上部導電ビア６４と一組の底部導電ビア６４’とを形成するために、銅又はペースト導電性材料等の導電性材料６３で充填される。好ましくは、穴は、穴の底部から厚い外部導電層の表面まで導電性材料で完全に充填することができる。別の実施形態によれば、穴６２、６２’は、導電性材料でめっきされる。アセンブリは２つの槽に浸漬され、第１の槽は、内部導電層を外部導電層に接続するための銅無電解めっき槽であり、第２の槽は、穴６２、６２’を完全に充填するための電気めっき槽である。

【0058】

したがって、上部内部導電層４０のコンタクトパッドは、上部内部絶縁層５０に且つ上部外部導電層６０に配置された上部ビア６４により、厚い外部導電層６０に接続される。底部内部導電層４０’のコンタクトパッドは、底部内部絶縁銅５０’に且つ底部外部導電層６０’に配置された底部ビア６４’により、厚い底部外部導電層６０’に接続される。

【0059】

したがって、パワーデバイス２０は、厚い上部外部導電層６０と厚い底部外部導電層６０’とに電気的に接続される。

【0060】

図２は、本発明の第２の実施形態による電気パワーアセンブリ４００を示す概略断面図である。図１Ｇに示す第１の実施形態と比較すると、電気パワーアセンブリは、複数のパワーデバイス、例えば、図２に示すような４つのパワーデバイス４２１、４２２、４２３及び４２４を備える。パワーデバイスは、互いに同じである場合もあれば異なる場合もある。各パワーデバイスの電気接点の数は、パワーデバイスのタイプに従って決定される。例えば、図２に示すように、パワーアセンブリは、電気絶縁コア４３０のそれぞれのキャビティに埋め込まれた２つのダイオード及び２つのＩＧＢＴを備える。ダイオードは、２つの電気接点、すなわちアノード及びカソードを有し、ＩＧＢＴは、３つの電気接点、すなわちエミッタ、ゲート及びコレクターを有する。

【0061】

各パワーデバイスの上側の電気接点は、電気絶縁コア４３０に形成された上部ビア４１２と、薄い内部導電層４４０と、上部内部絶縁層４５０に且つ上部外部導電層４６０に形成された外部上部ビア４６４とを通して、厚い上部外部導電層４６０に接続される。各パワーデバイスの底側の電気接点は、電気絶縁コア４３０に形成された底部ビア４１２’と、薄い底部内部導電層４４０’と、底部内部絶縁層４５０’に且つ底部外部導電層４６０’に形成された外部底部ビア４６４’とを通して、厚い底部外部導電層４６０’に接続される。

【0062】

パワーアセンブリ内に配置されるパワーデバイスは、図２に示す構成に限定されず、パワーアセンブリに必要な電子機能に従って変更することができる。

【0063】

ベース構造体の各側に配置された外部導電層は、４００μｍよりも大きい厚さを有するため、電力伝送効率は大幅に向上する。さらに、導電ビアを形成する厚い外部導電層の穴は、厚い導電層において機械的プロセスにより予め穴あけされるため、パワーアセンブリの製造コストが削減される。

【0064】

ここで、図３Ａ～図３Ｄを参照して、本発明の第３の実施形態による電気パワーアセンブリ２００について説明する。図１Ａ～図１Ｇに示す実施形態と比較すると、薄い底部内部導電層４０’と厚い底部外部導電層６０’との間に底部電気絶縁層がない。この実施形態では、厚い底部外部導電層６０’は、薄い底部内部導電層４０’の上に直接位置決めされる。したがって、第１の実施形態のものに対応するコンポーネント部品及び要素は同じ参照番号で示し、したがって、詳細な説明は省略する。このため、この実施形態のベース構造体は、第１の実施形態のベース構造体と同様であり、以下重複して説明しない。

【0065】

パワーアセンブリ２００は、ベース構造体１０の各側に位置決めされた厚い上部外部導電層６０と厚い底部外部導電層６０’とを備える。厚い上部外部導電層及び底部外部導電層は、パッケージ構造体の電流能力及び熱能力を向上させるために、ベース構造体の内部導電層の厚さよりも大きい厚さを有する。非限定的な実施形態によれば、厚い外部導電層６０、６０’は、約１００μｍ～４ｍｍ、好ましくは約４００μｍ～１ｍｍの厚さを有することができる。これらの層の材料は、金属、好ましくは銅である。

【0066】

図３Ａに示すように、各厚い外部導電層６０、６０’は、機械的プロセス又は他の適切な技法によって形成される、複数の予め穴あけされたスルーホール６１、６１’を備える。これらの予め穴あけされたスルーホールは、後により詳細に説明するように、厚い外部導電層６０、６０’を内部導電層４０、４０’のコンタクトパッドに接続する導電性ビアホールとしての役割を果たす。

【0067】

さらに、パワーアセンブリ２００は、上部内部絶縁層５０を更に備え、上部内部絶縁層５０は、厚い上部外部導電層６０とベース構造体１０の薄い上部内部導電層４０との間に配置される。例えば、内部絶縁層５０は、樹脂、又は熱伝導率の高い任意の適切な絶縁材料から作製される。

【0068】

図３Ｃを参照すると、電気パワーアセンブリ２００は、上部内部層４０から上部絶縁層５０及び厚い上部外部層６０を通って延在する一組の上部穴６２を備える。したがって、各上部穴６２は、底部６６及び開放端部６７を有する。穴の底部は、上部内部導電層４０のコンタクトパッドの一部分によって形成される。開放端部６７は、厚い上部外部導電層６０の表面６５に形成される。各上部穴６２は、一部には、上部内部絶縁層５０に形成された穴によって形成され、一部には、厚い上部外部導電層６０に形成された予め穴あけされたスルーホール６１によって形成される。

【0069】

図３Ｃを参照すると、電気パワーアセンブリ２００はまた、底部内部導電層４０’から厚い底部外部導電層６０’まで延在する一組の底部穴６２’も備える。したがって、底部穴６２’は、厚い底部外部導電層６０’に形成された予め穴あけされた穴６１’によって直接形成される。

【0070】

次いで、上部穴６２及び底部穴６２’は、上部導電ビア６４と底部導電ビア６４’とを形成するために、導電性材料で充填される。好ましくは、穴６２，６２’は、図３Ｄに示すように、穴の底部から厚い外部導電層の表面まで導電性材料で完全に充填することができる。この充填するステップにより、内部導電層４０、４０’とそれぞれの厚い導電層６０、６０’との間を機械的に接着することができる。

【0071】

したがって、上部内部導電層４０のコンタクトパッドは、上部内部絶縁層５０に且つ厚い上部外部導電層６０に配置された上部ビア６４により、厚い上部外部導電層６０に接続される。底部内部導電層４０’のコンタクトパッドは、底部ビア６４’により、厚い底部外部導電層６０’に直接接続される。

【0072】

さらに、上部ビア６４及び底部ビア６４’は、パワーデバイスの放熱用の熱経路を提供する。

【0073】

図４は、本発明の第４の実施形態によるパワーアセンブリ５００を示す概略断面図である。図３Ｄに示すような第３の実施形態と比較すると、この実施形態のパワーアセンブリは、複数のパワーデバイス、例えば、４つのパワーデバイス５２１、５２１、５２３、５２４と、２つのダイオードと、２つのＩＧＢＴとを備える。パワーデバイスの構成は、図２に示す実施形態と同様である。

【0074】

各パワーデバイスの上側の電気接点は、電気絶縁コア５３０に形成された上部ビア５１２と、薄い内部導電層５４０と、上部内部絶縁層５５０に且つ上部外部導電層５６０に形成された外部上部ビア５６４とを通して、厚い上部外部導電層５６０に接続される。各パワーデバイスの底側の電気接点は、電気絶縁コア５３０に形成された底部ビア５１２’と、薄い底部内部導電層５４０’と、底部外部導電層５６０’の予め穴あけされた穴によって形成された外部底部ビア５６４’とを通して、厚い底部外部導電層５６０’に接続される。

【0075】

ここで、図５Ａ及び図５Ｂを参照して、本発明の一実施形態による図１Ａ～図１Ｇに示すような電気パワーアセンブリの製造方法３００について説明する。図２、図３及び図４に示すような電気アセンブリを形成する方法は、同様であり、重複して説明しない。

【0076】

図５Ａは、多層ベース構造体１０の形成３０１の一例を示す。

【0077】

ステップ３０２において、絶縁コアに少なくとも１つのキャビティが形成される。キャビティは、例えば、機械的穴あけによって得ることができる。キャビティの形状は、パワーデバイスに適合される。

【0078】

ステップ３０３において、キャビティ内にパワーデバイス２０が挿入される。パワーデバイスは、ダイオード、又はＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ若しくはＩＧＢＴ等のトランジスタとすることができ、様々な構成の電気接点を有することができる。さらに、パワーデバイスの数もまた、電子機能要件に従って変更することができる。各パワーデバイスは、キャビティ内で、パワーデバイスの電気接点が上向き及び下向きに面しているように向けられる。ステップ３０４において、パワーデバイスを備える絶縁コアは、２つの更なる絶縁層と２つの薄い内部導電層４０、４０’との間に位置決めされて、スタックが得られる。

【0079】

ステップ３０５において、中実多層構造体を形成するために、絶縁層と導電層４０、４０’とのスタックが積層し、そこで、スタックの絶縁層は融合されて、図１Ａに示すような絶縁コア３０を形成する。したがって、パワーデバイス２０は絶縁コア３０内部に埋め込まれる。

【0080】

次いで、方法は、絶縁コア３０内に且つ上部内部導電層４０内に一組の上部穴１１を形成するとともに、絶縁コア３０内に且つ底部導電層４０’内に一組の底部穴１１’を形成するステップ３０６を含む。穴１１、１１’は、パワーデバイスの電気接点を露出させるために、レーザー穴あけプロセスによって形成される。

【0081】

ステップ３０７において、穴は、導電ビア１２、１２’を形成するために、電気めっきプロセスにより銅等の導電性材料でめっきされる。めっきは、無電解めっき及び／又は電気めっきによって形成することができる。好ましくは、導電性材料は銅である。例えば、中実多層構造体は、穴を完全に充填するために、２つのめっき槽に浸漬される。

【0082】

ステップ３０８において、ベース構造体の両側に所望の導電パターンを形成するために、上部内部導電層４０及び底部内部導電層４０’の表面にエッチングステップが適用される。これらの導電パターンは、コンタクトパッドとして使用される。

【0083】

ステップ３０９において、予め穴あけされたスルーホールを有する２つの厚い導電層６０、６０’が準備される。厚い導電層は、約４００μｍ～４ｍｍの厚さを有する。従来の方法とは対照的に、外部導電層は、約５００μｍ～１０００μｍの直径を有する予め穴あけされたスルーホールを備える。穴は、スタックの作成のステップの前に厚い導電層に形成されるため、任意の適切な穴あけ技法を使用することができる。好ましい実施形態によれば、厚い導電層の穴は、機械的プロセスによって形成される。

【0084】

ステップ３１０において、ベース構造体１０が、２つの更なる内部電気絶縁層５０、５０’と２つの厚い外部導電層６０、６０’との間に位置決めされて、新たなスタックが形成される。

【0085】

本発明の別の実施形態によれば、ステップ３１０において、パワーアセンブリの底部において、厚い底部外部導電層６０’は、図３Ａに示すような薄い底部内部導電層４０’の表面に直接位置決めされる。

【0086】

ステップ３１１において、ベース構造体と、２つの更なる内部電気絶縁層と、２つの更なる厚い導電層とを含むスタックが、中実多層構造体を形成するために積層する。絶縁層に存在するエポキシ樹脂が、流れて、厚い外部導電層６０、６０’の予め穴あけされたスルーホール６１、６１’を充填する。

【0087】

別の実施形態では、ステップ３０８中に、予め穴あけされたスルーホール６１、６１’に、ペースト絶縁材料で予め充填することができる。この材料は、エポキシ、シリコン、又はめっきステップのために容易に洗浄することができる他の任意の適切な材料とすることができる。

【0088】

ステップ３１２において、内部導電層４０、４０’から内部絶縁層５０、５０’を通って厚い外部導電層６０、６０’の外面６５、６５’まで延在する穴６２、６２’を形成するために、予め穴あけされたスルーホール内の且つ予め穴あけされたスルーホールのすぐ下の絶縁材料が除去される。したがって、各穴６２、６２’は、内部導電層４０、４０’のコンタクトパッドの一部分によって形成された底部６６、６６’と、厚い外部導電層６０、６０’の表面の開放端部６７、６７’とを有する。この除去するステップは、レーザープロセス、化学的プロセス、機械的プロセス、プラズマプロセス等、任意の適切なプロセスによって実施することができる。

【0089】

ステップ３１３において且つ図１Ｇを参照すると、穴６２、６２’は、内部導電層４０、４０’のコンタクトパッドを厚い外部導電層６０、６０’に接続する導電ビア６４、６４’を形成するために、導電性材料６３で充填される。例えば、この構造体は２つのめっき槽に浸漬される。第１のめっき槽は、薄い内部導電層を厚い外部導電層に接続するための無電解めっき槽である。第２の槽は、穴を導電性材料で完全に充填するために用いられる。

【0090】

ステップ３１４において、厚い上部導電層及び厚い底部導電層の表面が、エッチング又はフライス加工のいずれかによってパターニングされる。導電パターンは、パワーアセンブリのためのコンタクトパッドとしての役割を果たすことができる。したがって、いくつかのパワーアセンブリを別の多層構造体内に挿入するか又は組み込んでパワーモジュールを形成することができる。

【0091】

さらに、図示しないが、方法は、ステップ３０９～３１３のシーケンスが少なくとも１回繰り返される更なるステップを含むことができる。したがって、図１Ｇ、図２、図３Ｄ及び図４に示すようなパワーアセンブリを、２つの更なる絶縁層と予め穴あけされた穴を備える厚い導電層との間に再度位置決めすることができる。別の実施形態では、ステップ３０９～３１３のシーケンスを、ベース構造体の各側において外部導電層のための所望の総厚さを得るために必要な回数繰り返すことができる。電力伝送及び熱伝達を増大させるためにも必要なこの厚さは、１ｍｍ～１００ｍｍの範囲であり得る。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図1E】

【図1F】

【図1G】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図4】

【図5A】

【図5B】